DE112018003391B4 - Leistungshalbleitervorrichtung mit einem Leistungshalbleiterbauelement und einem Wärmeabfuhrabschnitt und eine diese verwendende Leistungswandlungsvorrichtung - Google Patents

Leistungshalbleitervorrichtung mit einem Leistungshalbleiterbauelement und einem Wärmeabfuhrabschnitt und eine diese verwendende Leistungswandlungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Leistungshalbleitervorrichtung, welche Folgendes aufweist:
ein Leistungshalbleiterelement (101, 102),
einen Leiterabschnitt (103), der einen Strom zum Leistungshalbleiterelement (101, 102) sendet,
eine Isolierschicht (111A, 111B) in Kontakt mit einer Fläche des Leiterabschnitts (103) auf einer Seite, die einer Seite entgegengesetzt ist, auf der das Leistungshalbleiterelement (101, 102) angeordnet ist, und
einen metallischen Wärmeabfuhrabschnitt (131), der dem Leiterabschnitt (103) entgegengesetzt ist, während die Isolierschicht (111A, 111B) sandwichförmig eingeschlossen ist, gekennzeichnet durch
einen Ausgangsanschluss (107), der mit dem Leiterabschnitt (103) verbunden ist und ein von einem Kontaktzustand eines Isolierabschnitts (110) abhängiges anderes Signal ausgibt,
wobei die Isolierschicht (111A, 111B) den Isolierabschnitt (110) und eine Leiterschicht (112), die über den Isolierabschnitt (110) sandwichförmig zwischen dem Leiterabschnitt (103) und dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt (131) angeordnet ist, aufweist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitervorrichtung und eine diese verwendende Leistungswandlungsvorrichtung.
  • Technischer Hintergrund
  • In den letzten Jahren haben globale Umweltprobleme und Ressourcenprobleme Aufmerksamkeit erregt, und es wurden weit verbreitet Leistungshalbleiterelemente verwendende Leistungswandlungsvorrichtungen auf Gebieten in der Art von Endverbraucheranwendungen, Fahrzeuganwendungen, Schienenverkehranwendungen, industriellen Anwendungen und Infrastrukturanwendungen eingesetzt, um Ressourcen wirksam zu verwenden, die Energieeinsparung zu fördern und die Emission zur globalen Erwärmung beitragender Gase zu unterdrücken.
  • Als Fahrzeuganwendungen seien beispielsweise Elektrofahrzeuge (EV), die durch einen Elektromotor angetrieben werden, und Hybridelektrofahrzeuge (HEV), bei denen ein Elektromotor und ein Verbrennungsmotor für den Antrieb kombiniert sind, erwähnt. Bei diesen EV und HEV wird eine Pseudowechselspannung anhand der Gleichspannung einer Batterie erzeugt, indem das Schalten eines Leistungshalbleiterelements gesteuert wird, und wird ein Elektromotor mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben.
  • Weil dieses Leistungshalbleiterelement beim Betrieb Wärme erzeugt, ist eine gute Wärmeabfuhr erforderlich. Im Allgemeinen wird ein metallischer Wärmeabfuhrkörper mit einer Rippe für die Wärmeabfuhr des Leistungshalbleiterelements verwendet und wird das Leistungshalbleiterelement an Masse (GND) gelegt, um das Potential des Leistungshalbleiterelements zu stabilisieren und einen elektrischen Schock zu verhindern. Deshalb ist ein Isolierelement zwischen dem Leistungshalbleiterelement und dem Wärmeabfuhrkörper erforderlich, das eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Zuverlässigkeit der Isolation aufweisen muss.
  • Als Mittel zur Verbesserung der Wärmeableitungswirkung ist beispielsweise eine Leistungshalbleitervorrichtung bekannt, bei der eine Isolierschicht zwischen einem ein Leistungshalbleiterelement aufweisenden Schaltungskörper und einem Wärmeabfuhrkörper angeordnet ist und die vom Leistungshalbleiterelement erzeugte Wärme über die Isolierschicht an einen Wärmeabfuhrkörper abgegeben wird, wie in PTL 1 und PTL 2 erläutert ist.
  • Die in PTL 1 und PTL 2 beschriebenen Leistungshalbleitervorrichtungen weisen durch die Anordnung einer isolierenden Lage zwischen dem das Leistungshalbleiterelement aufweisenden Schaltungskörper und dem Wärmeabfuhrkörper eine Wärmeleitfähigkeit und eine Isolationswirkung zwischen dem Leistungshalbleiterelement und dem Wärmeabfuhrkörper auf.
  • Bei der in PTL 1 beschriebenen Leistungshalbleitervorrichtung ist eine Struktur des den Kühlkörper aufweisenden Metallgehäuseelements vorgesehen, die dazu dient, die Trennung zwischen dem Wärmeabfuhrkörper und dem Schaltungskörper aufzuheben.
  • Zusätzlich ist bei der in PTL 2 beschriebenen Leistungshalbleitervorrichtung eine Zwischenleiterschicht in der Isolierschicht zwischen einem mit dem Leistungshalbleiterelement des Schaltungskörpers elektrisch verbundenen Leiterabschnitt und dem Wärmeabfuhrkörper ausgebildet, um die zwischen den Leiterabschnitt und den Wärmeabfuhrkörper der oberen und der unteren Isolierschicht, welche die Zwischenleiterschicht sandwichförmig einschließen, gelegte Spannung zu teilen, wodurch das Auftreten einer Teilentladung verhindert wird, wenn der Schaltungskörper und der Wärmeabfuhrkörper getrennt werden.
  • Probleme in der Leistungshalbleitervorrichtung sind die Trennung und das Abschälen zwischen dem Leiterabschnitt und der Isolierschicht und zwischen der Isolierschicht und dem Wärmeabfuhrkörper. Das Abschälen geschieht, weil das Leistungshalbleiterelement Wärme erzeugt und sich die Wärmeausdehnung zwischen dem Leiterabschnitt, der einen Strom zum Leistungselement sendet, dem Wärmeabfuhrkörper und der Isolierschicht unterscheidet.
  • Wenn das Abschälen auftritt, nimmt die Zuverlässigkeit der Isolation durch das Auftreten einer Teilentladung an einem Abschälabschnitt ab und nimmt die Kühlwirkung ab. Im schlimmsten Fall wird die Funktion der Leistungshalbleitervorrichtung beendet.
  • Die Größe von Leistungshalbleitervorrichtungen und sie verwendenden Leistungswandlungsvorrichtungen wurde immer weiter verringert, und ihre Leistung wurde immer weiter erhöht, und es besteht ein Bedarf an der Verwendung von Leistungshalbleiterelementen bei höheren Temperaturen. Zusätzlich können SiC-Leistungshalbleiterelemente, von denen erwartet wird, dass sie in der Zukunft beliebter werden, in Bereichen höherer Temperatur als Si-Leistungshalbleiterelemente verwendet werden. Demgemäß wird davon ausgegangen, dass das Problem des Abschälens zwischen dem Leiterabschnitt und der Isolierschicht und zwischen der Isolierschicht und dem Wärmeabfuhrkörper schwerwiegend wird.
  • Das Dokument US 2011 / 0 037 166 A1 offenbart eine Leistungshalbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weitere Leistungshalbleitervorrichtungen sind in der US 2011 / 0 299 265 A1 und der JP 2015 - 133 402 A offenbart.
  • Zitatliste
  • Patentliteratur
    • PTL 1: JP 2016-39224 A
    • PTL 2: JP 2016-59147 A
  • Kurzfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Verringerung der Zuverlässigkeit durch ein Abschälen zwischen einer Isolierschicht und anderen Elementen zu unterdrücken.
  • Lösung des Problems
  • Eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: ein Leistungshalbleiterelement, einen Leiterabschnitt, der einen Strom zum Leistungshalbleiterelement sendet, eine Isolierschicht in Kontakt mit einer Fläche des Leiterabschnitts auf einer Seite, die einer Seite entgegengesetzt ist, auf der das Leistungshalbleiterelement angeordnet ist, einen metallischen Wärmeabfuhrabschnitt, der dem Leiterabschnitt entgegengesetzt ist, während die Isolierschicht sandwichförmig eingeschlossen ist, und einen Ausgangsanschluss, der mit dem Leiterabschnitt verbunden ist und ein vom Kontaktzustand des Isolierabschnitts abhängiges anderes Signal ausgibt, wobei die Isolierschicht einen Isolierabschnitt und eine Leiterschicht, die über den Isolierabschnitt sandwichförmig zwischen dem Leiterabschnitt und dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt angeordnet ist, aufweist.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Verringerung der Zuverlässigkeit einer Leistungshalbleitervorrichtung und einer sie verwendenden Leistungswandlungsvorrichtung unterdrückt werden.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • 1 eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform,
    • 2 eine Draufsicht der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform,
    • 3 eine perspektivische Draufsicht eines durch eine Isolierschicht 111A und dergleichen gebildeten Isolierabschnitts 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform,
    • 4 eine Schnittansicht eines Isolierabschnitts 110 entlang einer Ebene AA in 3,
    • 5 eine Schnittansicht zur Darstellung eines Prozesses zur Herstellung eines Schaltungskörpers 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform,
    • 6 eine Schnittansicht zur Darstellung eines Prozesses zur Herstellung der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform,
    • 7 eine Schnittansicht zur Beschreibung eines Prinzips zur Beurteilung und Diagnose eines Kontaktzustands und eines Abschälzustands des Isolierabschnitts 110 in Bezug auf einen Leiterabschnitt und einen Wärmeabfuhrabschnitt bei einer Kapazitätsmessung unter Verwendung eines Ausgangsanschlusses 107 der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform,
    • 8 eine Graphik einer Beziehung zwischen einem Kontaktzustand (der Abschälrate) zwischen dem Leiterabschnitt 103 und einer Isolierschicht und der Kapazität einer Isolierschicht 111B auf der Seite des Leiterabschnitts,
    • 9 eine Schnittansicht zur Beschreibung eines Prinzips zur Beurteilung und Diagnose des Kontaktzustands der Isolierschicht in Bezug auf den Leiterabschnitt und den Wärmeabfuhrabschnitt bei einer Spannungsmessung unter Verwendung des Ausgangsanschlusses 107 der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform,
    • 10 eine Graphik einer Spannungsteilung eines Isolierabschnitts auf der Seite des Leiterabschnitts und eines Isolierabschnitts auf der Seite des Wärmeabfuhrabschnitts, wenn der Leiterabschnitt und die Isolierschicht voneinander abgeschält werden,
    • 11 einen Schaltplan einer Schaltungskonfiguration zur Erfassung einer Spannung bei der Spannungsmessung unter Verwendung des Ausgangsanschlusses 107 der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und
    • 12 ein durch Überwachen der Spannung am Ausgangsanschluss 107 der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 unter Verwendung einer Spannungserfassungsschaltung erhaltenes Ergebnis.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend auf der Grundlage von Beispielen beschrieben.
  • 1 ist eine Schnittansicht einer Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • Die Leistungshalbleitervorrichtung 1000 weist Folgendes auf: Leistungshalbleiterelemente 101 und 102, einen Leiterabschnitt 103, der einen Strom zu den Leistungshalbleiterelementen 101 und 102 sendet, Isolierschichten 111A und 111B in Kontakt mit einer Fläche des Leiterabschnitts 103 auf der Seite, die der Seite entgegengesetzt ist, auf der die Leistungshalbleiterelemente 101 und 102 angeordnet sind, und einen metallischen Wärmeabfuhrabschnitt 131, der dem Leiterabschnitt 103 entgegengesetzt ist, so dass die Isolierschichten 111A und 111B sandwichförmig eingeschlossen werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das Leistungshalbleiterelement 101 ein IGBT und ist das Leistungshalbleiterelement 102 eine Diode.
  • Eine Leiterschicht 112 ist zwischen der Isolierschicht 111A und der Isolierschicht 111B bereitgestellt. Ein Ausgangsanschluss 107 ist an die Leiterschicht 112 angeschlossen und gibt abhängig vom Kontaktzustand zwischen der Isolierschicht 111A oder der Isolierschicht 111B und anderen Elementen verschiedene Signale aus.
  • 2 ist eine Draufsicht der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 4 ist eine perspektivische Draufsicht eines durch die Isolierschicht 111A gebildeten Isolierabschnitts 110 und dergleichen gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 5 ist eine Schnittansicht des Isolierabschnitts 110 entlang einer Ebene AA aus 4.
  • Der Isolierabschnitt 110 besteht aus der Isolierschicht 111A auf der in Kontakt mit dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt 131 stehenden Seite, der Isolierschicht 111B auf der in Kontakt mit dem Leiterabschnitt 103 stehenden Seite und der sandwichförmig zwischen der Isolierschicht 111A und der Isolierschicht 111B angeordneten Leiterschicht 112. Zusätzlich weist der Isolierabschnitt 110 eine Verbindungselektrode 112C, die elektrisch mit dem Ausgangsanschluss 107 verbunden ist, und eine Routing-Verdrahtung 112B, die von der Leiterschicht 103 mit der Verbindungselektrode 112C verbunden ist, auf.
  • Mit Bezug auf die 5(A) bis 5(E) wird ein Prozess zur Herstellung eines Halbleiterkörpers 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • In 5(A) sind die Leistungshalbleiterelemente 101 und 102 durch ein Bondmaterial 104 an den Leiterabschnitt 103 gebondet. Hier wird im Allgemeinen ein Metall mit einer hohen Leitfähigkeit in der Art von Kupfer und Aluminium für den Leiterabschnitt 103 verwendet und wird ein Lötmaterial oder dergleichen für das Bondmaterial 104 verwendet.
  • Zusätzlich ist in 5(A) ein Stromversorgungsanschluss 105 bereitgestellt, der sich vom Leiterabschnitt 103 erstreckt. Der Leiterabschnitt 103 und der Stromversorgungsanschluss 105 können integriert gebildet sein oder getrennte Elemente sein und durch ein Bondmaterial miteinander verbunden sein. Nach dem Bonden des Leistungshalbleiterelements 101 auf den Leiterabschnitt 103 werden eine Gate-Elektrode auf dem Leistungshalbleiterelement 101 und ein Steueranschluss 106 mit einem dünnen Metalldraht verbunden (der dünne Metalldraht ist aus Gründen der Einfachheit der Zeichnung nicht dargestellt).
  • In 5(B) sind die anderen Flächen der Leistungshalbleiterelemente 101 und 102 ähnlich durch das Bondmaterial 104 an den Leiterabschnitt 103 gebondet, um einen Zustand zu erhalten, wie er in 5(C) dargestellt ist.
  • In 5(D) sind die Leistungshalbleiterelemente 101 und 102 und der Leiterabschnitt 103 mit einem Gießharz 108 eingeschlossen. Falls erforderlich, wird das Gießharz 108 poliert, um eine Fläche des Leiterabschnitts 103 auf der Seite freizulegen, die der Seite entgegengesetzt ist, auf der die Leistungshalbleiterelemente angeordnet sind.
  • Ferner ist in 5(E) ein leitendes Haftelement 120 zwischen dem an der Oberfläche des Schaltungskörpers 100 freigelegten Ausgangsanschluss 107 und der Verbindungelektrode 112C angeordnet, um den Ausgangsanschluss 107 und die Verbindungselektrode 112C elektrisch zu verbinden.
  • Hier kann als leitendes Haftelement 120 ein leitender Klebstoff, bei dem Metallteilchen in einem Harz dispergiert sind, eine anisotrope leitende Paste, ein anisotroper leitender Film oder dergleichen verwendet werden.
  • In diesem Schritt werden der Schaltungskörper 100 und der Isolierabschnitt 110 fixiert und werden die Leiterschicht 112 und der Ausgangsanschluss 107 elektrisch verbunden.
  • Mit Bezug auf die 6(A) bis 6(E) wird ein Prozess zur Herstellung der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • In 6(B) wird der mit dem Isolierabschnitt 110 integrierte Schaltungskörper 100 in ein Gehäuse 130 mit einem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt 131 und Wärmeabfuhrrippen 132 eingefügt.
  • Dann wird in 6(C) der metallische Wärmeabfuhrabschnitt 131 mit einer Vakuumpressmaschine gepresst, um einen dünnen Abschnitt des Gehäuses 130 zu verformen und ein Bonden zwischen einer Innenfläche des metallischen Wärmeabfuhrabschnitts 131 und dem Isolierabschnitt 110 und ein Bonden zwischen der Isolierschicht und dem Schaltungskörper 100 auszuführen.
  • Dann wird in 6(D) ein Vergussharz 140 in einen Raum gegen den Schaltungskörper 110 innerhalb des Gehäuses 130 gespritzt und wird das Vergussharz 140 bei einer vorgegebenen Temperatur während einer vorgegebenen Zeit gehärtet, wodurch die Leistungshalbleitervorrichtung 1000 fertiggestellt wird.
  • Als nächstes wird ein Verfahren zur Diagnose eines Abschälzustands zwischen dem Leiterabschnitt 103 und dem Isolierabschnitt 110 und eines Abschälzustands zwischen dem Isolierabschnitt 110 und dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt 131 der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • (Inspektion nach Fertigstellung der Leistungshalbleitervorrichtung)
  • 7 ist eine Schnittansicht zur Beschreibung eines Prinzips zur Beurteilung und Diagnose eines Kontaktzustands und eines Abschälzustands des Isolierabschnitts 110 in Bezug auf den Leiterabschnitt und den Wärmeabfuhrabschnitt bei einer Kapazitätsmessung unter Verwendung des Ausgangsanschlusses 107 der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • In 7(A) ist die Kapazität der Isolierschicht 111B auf der Seite des Leiterabschnitts 103 in einem Normalzustand, wobei kein Abschälen zwischen dem Leiterabschnitt 103 und der Isolierschicht 111B und zwischen der Isolierschicht 111A und dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt 131 auftritt, auf C1 gesetzt und ist die Kapazität der Isolierschicht 111A auf der Seite des metallischen Wärmeabfuhrabschnitts 131 auf C2 gesetzt. Falls die Isolierschicht 111A und die Isolierschicht 111B so ausgebildet sind, dass sie aus dem gleichen Material (relative Dielektrizitätskonstante) bestehen und die gleiche Dicke aufweisen, sind C1 und C2 im Wesentlichen gleich.
  • 7(B) zeigt einen Zustand, bei dem ein Abschälen zwischen dem Leiterabschnitt 103 und der Isolierschicht 111B auftritt. Falls zwischen dem Leiterabschnitt 103 und der Isolierschicht 111B ein Abschälen auftritt, nimmt der Abstand zwischen dem Leiterabschnitt 103 und der Leiterschicht 112 zu und wird der Isolierabschnitt um eine Luftschicht (die relative Dielektrizitätskonstante beträgt eins) erweitert, so dass die Kapazität C1' auf der Seite des Leiterabschnitts 103 kleiner ist als die Kapazität C1 im Normalzustand ohne ein Abschälen.
  • 7(C) zeigt einen Zustand, in dem zwischen der Isolierschicht 111A und dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt 131 ein Abschälen auftritt. In diesem Fall nimmt der Abstand zwischen der Leiterschicht 112 und dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt 131 zu und kommt die Luftschicht (die relative Dielektrizitätskonstante beträgt eins) zum Isolierabschnitt hinzu, so dass die Kapazität C2' auf der Seite des metallischen Wärmeabfuhrabschnitts 131 kleiner ist als die Kapazität C2 im Normalzustand ohne ein Abschälen.
  • 8 ist eine Graphik, welche die Beziehung zwischen dem Kontaktzustand (der Abschälrate) zwischen dem Leiterabschnitt 103 und der Isolierschicht und der Kapazität der Isolierschicht 111B auf der Seite des Leiterabschnitts zeigt.
  • Die Abschälrate ist hier ein durch das Verhältnis zwischen der Fläche eines abgeschälten Abschnitts zwischen dem Leiterabschnitt 103 und der Isolierschicht 111B und der Größe einer Fläche, an der der Leiterabschnitt 103 und die Leiterschicht 112 einander entgegengesetzt sind, im Normalzustand, in dem kein Abschälen zwischen dem Leiterabschnitt 103 und der Isolierschicht 111B auftritt, repräsentierter Zahlenwert.
  • Wie anhand 8 verständlich ist, nimmt, falls zwischen dem Leiterabschnitt 103 und der Isolierschicht 111B ein Abschälen auftritt, die Kapazität des Isolierabschnitts auf der Seite des Leiterabschnitts abhängig von der Abschälfläche und der Abschälrate ab.
  • Wenngleich 8 eine Graphik ist, welche die Änderung der Kapazität zeigt, wenn der Leiterabschnitt 103 und die Isolierschicht 111B abgeschält werden, nimmt die Kapazität des Isolierabschnitts auf der Seite des Wärmeabfuhrabschnitts ähnlich ab, falls ein Abschälen zwischen dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt 131 und der Isolierschicht 111A auftritt.
  • Wenn die Kapazität zwischen dem Stromversorgungsanschluss 105 und dem Ausgangsanschluss 107 und die Kapazität zwischen dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt 131 und dem Ausgangsanschluss 107 unter Verwendung eines Messinstruments in der Art eines LCR-Messers und eines Impedanzanalysators nach Fertigstellung der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 auf der Grundlage des vorstehend beschriebenen Prinzips gemessen werden, können der Kontaktzustand zwischen dem Leiterabschnitt 103 und der Isolierschicht 111B und der Kontaktzustand zwischen der Isolierschicht 111A und dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt 131 inspiziert und diagnostiziert werden.
  • (Diagnose während des Betriebs der Leistungswandlungsvorrichtung und Verwendung des Diagnoseergebnisses)
  • 9 ist eine Schnittansicht zur Beschreibung eines Prinzips zur Beurteilung und Diagnose des Kontaktzustands der Isolierschicht in Bezug auf den Leiterabschnitt und den Wärmeabfuhrabschnitt bei einer Spannungsmessung unter Verwendung des Ausgangsanschlusses 107 der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • In 9(A) ist die Kapazität der Isolierschicht 111B auf der Seite des Leiterabschnitts 103 in einem Normalzustand, wobei kein Abschälen zwischen dem Leiterabschnitt 103 und der Isolierschicht 111B und zwischen der Isolierschicht 111B und dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt 131 auftritt, auf C1 gesetzt und ist die Kapazität der Isolierschicht 111A auf der Seite des metallischen Wärmeabfuhrabschnitts 131 auf C2 gesetzt.
  • Falls der Isolierabschnitt auf der Seite des Leiterabschnitts 103 und der Isolierabschnitt auf der Seite des metallischen Wärmeabfuhrabschnitts 131 so ausgebildet sind, dass sie das gleiche Isolierschichtmaterial (relative Dielektrizitätskonstante) und die gleiche Dicke aufweisen, sind C1 und C2 im Wesentlichen gleich. Daher ist die Spannung der Leiterschicht 112 im Normalzustand ohne ein Abschälen im Wesentlichen die Hälfte der zwischen dem Leiterabschnitt 103 und dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt 131 auferlegten Spannung und sind die Werte der Spannung V1 der Isolierschicht 111B auf der Seite des Leiterabschnitts 103 und der Spannung V2 der Isolierschicht 111A auf der Seite des metallischen Wärmeabfuhrabschnitts 131 im Wesentlichen gleich.
  • 9(B) zeigt einen Zustand, in dem ein Abschälen zwischen dem Leiterabschnitt und der Isolierschicht auftritt. Falls ein Abschälen zwischen dem Leiterabschnitt und der Isolierschicht auftritt, nimmt der Abstand zwischen dem Leiterabschnitt und der Leiterschicht zu und wird der Isolierabschnitt um eine Luftschicht (die relative Dielektrizitätskonstante beträgt eins) erweitert, so dass die Kapazität C1' auf der Seite des Leiterabschnitts kleiner ist als die Kapazität C1 im Normalzustand ohne Trennung. Daher nimmt die an den Isolierabschnitt auf der Seite des Leiterabschnitts angelegte Spannung V1' zu und nimmt die an den Isolierabschnitt auf der Seite des Wärmeabfuhrabschnitts angelegte Spannung V2' ab.
  • 9(C) zeigt einen Zustand, in dem kein Abschälen zwischen der Isolierschicht und dem Wärmeabfuhrabschnitt auftritt. In diesem Fall nimmt der Abstand zwischen der Leiterschicht und dem Wärmeabfuhrabschnitt zu und kommt die Luftschicht (die relative Dielektrizitätskonstante beträgt eins) zum Isolierabschnitt hinzu, so dass die Kapazität C2" auf der Seite des Wärmeabfuhrabschnitts kleiner ist als die Kapazität C2 im Normalzustand ohne ein Abschälen. Daher nimmt die an den Isolierabschnitt auf der Seite des Leiterabschnitts angelegte Spannung V1' ab und nimmt die an den Isolierabschnitt auf der Seite des Wärmeabfuhrabschnitts angelegte Spannung V2' zu.
  • 10 ist eine Graphik, welche eine Beziehung zeigt, bei der sich das Verhältnis zwischen der Spannungsteilung des Isolierabschnitts auf der Seite des Leiterabschnitts und der Spannungsteilung des Isolierabschnitts auf der Seite des Wärmeabfuhrabschnitts abhängig vom Kontaktzustand (der Abschälrate) zwischen dem Leiterabschnitt und der Isolierschicht ändert. Hier ist die Abschälrate ein durch das Verhältnis zwischen der Fläche eines abgeschälten Abschnitts zwischen dem Leiterabschnitt und der Isolierschicht und der Größe einer Fläche, an der der Leiterabschnitt und die Leiterschicht einander entgegengesetzt sind, im Normalzustand, in dem kein Abschälen zwischen dem Leiterabschnitt und der Isolierschicht auftritt, repräsentierter Zahlenwert. Wie anhand 11 verständlich ist, nimmt die Spannungsteilung des Isolierabschnitts auf der Seite des Leiterabschnitts abhängig von der Abschälrate zu und nimmt die Spannungsteilung des Isolierabschnitts auf der Seite des Wärmeabfuhrabschnitts ab, falls ein Abschälen zwischen dem Leiterabschnitt und der Isolierschicht auftritt.
  • Wenngleich 10 eine Graphik ist, welche die Spannungsteilung des Isolierabschnitts auf der Seite des Leiterabschnitts und des Isolierabschnitts auf der Seite des Wärmeabfuhrabschnitts zeigt, wenn der Leiterabschnitt und die Isolierschicht abgeschält werden, nimmt die Spannungsteilung des Isolierabschnitts auf der Seite des Leiterabschnitts ab und nimmt die Spannungsteilung des Isolierabschnitts auf der Seite des Wärmeabfuhrabschnitts zu, falls der Wärmeabfuhrabschnitt und die Isolierschicht voneinander abgeschält werden.
  • 11 ist ein Schaltplan einer Schaltungskonfiguration zur Erfassung einer Spannung bei der Spannungsmessung unter Verwendung des Ausgangsanschlusses 107 der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • In einer Leistungswandlungsvorrichtung unter Verwendung der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine in 12 dargestellte Spannungserfassungsschaltung ausgebildet. In 12 ist ein durch eine dicke Linie angegebener Schaltungsabschnitt die Hauptschaltung der Leistungswandlungsvorrichtung und ist ein durch eine dünne Linie angegebener Schaltungsabschnitt die Spannungserfassungsschaltung.
  • Die Spannung des Ausgangsanschlusses 107 der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine Hochspannung, deren Betrag etwa die Hälfte der Spannung der Hauptschaltung ist und demgemäß durch A/D-Wandlung als eine durch einen Widerstand geteilte Spannung VM ausgegeben wird.
  • 12 zeigt ein durch Überwachung der Spannung am Ausgangsanschluss 107 der Leistungshalbleitervorrichtung 1000 unter Verwendung der Spannungserfassungsschaltung erhaltenes Ergebnis.
  • Die Spannungsänderung des Ausgangsanschlusses im Normalzustand, in dem kein Abschälen zwischen dem Leiterabschnitt und der Isolierschicht und zwischen der Isolierschicht und dem Wärmeabfuhrabschnitt auftritt, ist durch eine unterbrochene Linie angegeben, und die Spannungsänderung des Ausgangsanschlusses, wenn ein Abschälen zwischen dem Leiter und der Isolierschicht auftritt, ist durch eine unterbrochene Linie angegeben. Die Spannung am Ausgangsanschluss ändert sich abhängig vom Schalten des Leistungshalbleiterelements mit der Zeit. Deshalb muss die Spannung synchron mit dem Schalten erfasst werden, um den Abschälzustand zwischen dem Leiterabschnitt und der Isolierschicht und den Abschälzustand zwischen der Isolierschicht und dem Wärmeabfuhrabschnitt genau zu diagnostizieren. Beispielsweise wird jede Spannung beim Ein- und beim Ausschalten synchron mit einem Signal einer Treiberschaltung erfasst, wird die Differenz zwischen den jeweiligen Spannungswerten bestimmt und kann der Abschälzustand auf der Grundlage der Spannungsdifferenz gegenüber dem anfänglichen Normalzustand diagnostiziert werden.
  • Es sei bemerkt, dass auf der Grundlage eines Signals vom Ausgangsanschluss 107 Potentiale erfasst werden können, wenn der Schaltzustand des Leistungshalbleiterelements ein leitender Zustand oder ein unterbrochener Zustand ist, und dass die Schaltfrequenz des Leistungshalbleiterelements verringert werden kann, wenn die Potentialdifferenz zwischen dem leitenden Zustand und dem unterbrochenen Zustand eine vorgegebene Schwelle erreicht.
  • Zusätzlich kann die Eingangsspannung zwischen einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss der Leistungshalbleitervorrichtung verringert werden, wenn die Potentialdifferenz zwischen dem vorstehend beschriebenen leitenden Zustand und dem vorstehend beschriebenen unterbrochenen Zustand eine vorgegebene Schwelle erreicht.
  • Die Ausgabe der Leistungshalbleitervorrichtung kann verringert werden, wenn die Potentialdifferenz zwischen dem vorstehend beschriebenen leitenden Zustand und dem vorstehend beschriebenen unterbrochenen Zustand eine vorgegebene Schwelle erreicht.
  • Ein Signal zur Warnung eines Fahrers kann ausgegeben werden, wenn die Potentialdifferenz zwischen dem vorstehend beschriebenen leitenden Zustand und dem vorstehend beschriebenen unterbrochenen Zustand eine vorgegebene Schwelle erreicht.
  • Mit der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform können der Abschälzustand zwischen dem Leiterabschnitt, der den Strom zum Leistungshalbleiterelement sendet, und der Isolierschicht und der Abschälzustand zwischen der Isolierschicht und dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt diagnostiziert werden und ein abnormer Zustand erkannt werden, bevor die Funktion der Leistungshalbleitervorrichtung endet. Zusätzlich kann, weil bei der Diagnose der Abschälzustand und der abnorme Zustand erkannt werden können, vorab ein abruptes Versagen der Leistungswandlungsvorrichtung verhindert werden und kann ferner die Betriebszeit verlängert werden, bis die Funktion endet, indem die Ausgabe der Leistungshalbleitervorrichtung und der Leistungswandlungsvorrichtung nach dem Erkennen des abnormen Zustands unterdrückt wird. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung und der Leistungswandlungsvorrichtung verbessert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Schaltungskörper
    101
    Leistungshalbleiterelement
    102
    Leistungshalbleiterelement
    103
    Leiterabschnitt
    104
    Bondmaterial
    105
    Stromversorgungsanschluss
    106
    Steueranschluss
    107
    Ausgangsanschluss
    108
    Gießharz
    110
    Isolierabschnitt
    111A
    Isolierschicht
    111B
    Isolierschicht
    112
    Leiterschicht
    112C
    Verbindungselektrode
    120
    leitendes Haftelement
    130
    Gehäuse
    131
    metallischer Wärmeabfuhrabschnitt
    132
    Wärmeabfuhrrippe
    140
    Vergussharz
    1000
    Leistungshalbleitervorrichtung

Claims (6)

  1. Leistungshalbleitervorrichtung, welche Folgendes aufweist: ein Leistungshalbleiterelement (101, 102), einen Leiterabschnitt (103), der einen Strom zum Leistungshalbleiterelement (101, 102) sendet, eine Isolierschicht (111A, 111B) in Kontakt mit einer Fläche des Leiterabschnitts (103) auf einer Seite, die einer Seite entgegengesetzt ist, auf der das Leistungshalbleiterelement (101, 102) angeordnet ist, und einen metallischen Wärmeabfuhrabschnitt (131), der dem Leiterabschnitt (103) entgegengesetzt ist, während die Isolierschicht (111A, 111B) sandwichförmig eingeschlossen ist, gekennzeichnet durch einen Ausgangsanschluss (107), der mit dem Leiterabschnitt (103) verbunden ist und ein von einem Kontaktzustand eines Isolierabschnitts (110) abhängiges anderes Signal ausgibt, wobei die Isolierschicht (111A, 111B) den Isolierabschnitt (110) und eine Leiterschicht (112), die über den Isolierabschnitt (110) sandwichförmig zwischen dem Leiterabschnitt (103) und dem metallischen Wärmeabfuhrabschnitt (131) angeordnet ist, aufweist.
  2. Leistungswandlungsvorrichtung unter Verwendung der Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leistungswandlungsvorrichtung Folgendes aufweist: eine Diagnoseeinheit, die den Kontaktzustand des Isolierabschnitts (110) durch Vergleichen eines Anfangswerts und eines durch Erfassen einer Potentialdifferenz zwischen einem leitenden Zustand und einem unterbrochenen Zustand während eines Betriebs der Leistungswandlungsvorrichtung nach Verstreichen einer vorgegebenen Zeit erhaltenen Werts diagnostiziert, wobei ein Anfangswert unter Verwendung einer Potentialdifferenz bei einem Einleiten der Verwendung der Leistungswandlungsvorrichtung auf der Grundlage einer Potentialdifferenz zwischen dem leitenden Zustand und dem unterbrochenen Zustand festgelegt wird, wobei Potentiale, wenn der Schaltzustand des Leistungshalbleiterelements (101, 102) der leitende Zustand oder der unterbrochene Zustand ist, auf der Grundlage eines Signals vom Ausgangsanschluss (107) erfasst werden.
  3. Leistungswandlungsvorrichtung unter Verwendung der Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei Potentiale, wenn ein Schaltzustand des Leistungshalbleiterelements (101, 102) ein leitender Zustand oder ein unterbrochener Zustand ist, auf der Grundlage eines Signals vom Ausgangsanschluss (107) erfasst werden und eine Schaltfrequenz des Leistungshalbleiterelements (101, 102) verringert wird, wenn eine Potentialdifferenz zwischen einem leitenden Zustand und einem unterbrochenen Zustand eine vorgegebene Schwelle erreicht.
  4. Leistungswandlungsvorrichtung unter Verwendung der Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei Potentiale, wenn der Schaltzustand des Leistungshalbleiterelements (101, 102) ein leitender Zustand oder ein unterbrochener Zustand ist, auf der Grundlage eines Signals vom Ausgangsanschluss (107) erfasst werden und eine Eingangsspannung zwischen einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss der Leistungshalbleitervorrichtung verringert wird, wenn eine Potentialdifferenz zwischen einem leitenden Zustand und einem unterbrochenen Zustand eine vorgegebene Schwelle erreicht.
  5. Leistungswandlungsvorrichtung unter Verwendung der Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei Potentiale, wenn ein Schaltzustand des Leistungshalbleiterelements (101, 102) ein leitender Zustand oder ein unterbrochener Zustand ist, auf der Grundlage eines Signals vom Ausgangsanschluss (107) erfasst werden und eine Ausgabe der Leistungshalbleitervorrichtung verringert wird, wenn die Potentialdifferenz zwischen einem leitenden Zustand und einem unterbrochenen Zustand eine vorgegebene Schwelle erreicht.
  6. Leistungswandlungsvorrichtung unter Verwendung der Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei Potentiale, wenn ein Schaltzustand des Leistungshalbleiterelements (101, 102) ein leitender Zustand oder ein unterbrochener Zustand ist, auf der Grundlage eines Signals vom Ausgangsanschluss (107) erfasst werden und ein Signal zum Warnen eines Fahrers ausgegeben wird, wenn eine Potentialdifferenz zwischen einem leitenden Zustand und einem unterbrochenen Zustand eine vorgegebene Schwelle erreicht.
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